運動應激與自由基的研究進展

董云峰，李文宇

DONG Yun-feng1，LI Wen-yu2

●運動人體科學●

運動應激與自由基的研究進展

董云峰1，李文宇2

DONG Yun-feng1，LI Wen-yu2

在運動醫(yī)學領域，運動應激與自由基一直是研究熱點。采用文獻綜述法，闡述了目前對于自由基的研究進展以及它與運動之間的內(nèi)在機制，同時介紹了以動物模型和細胞模型為主的兩種研究方法及研究成果，旨在為更深層次的探討運動與自由基的內(nèi)在機制提供一定參考，特別是為自由基理論在競技體育和群眾體育方面的應用提供幫助。

運動應激；自由基；動物模型；細胞模型

從20世紀中后期開始，運動醫(yī)學界對運動與自由基代謝的相關研究就給予了密切的關注，同時也取得了一定的成果。我們所說的自由基，是指那些在外層軌道上具有不成對電子的分子或原子基團。自由基有很多種，一般而言體內(nèi)的自由基主要是指含氧自由基（reactive oxygen species，ROS），按照種類來分一般有：超氧陰離子，羥自由基，過氧化氫，單線態(tài)氧，三線態(tài)氧等。過多的自由基一般會對細胞組織、脂肪組織和蛋白質(zhì)內(nèi)部結構產(chǎn)生不良影響，使得體內(nèi)一些器官發(fā)生病理性變化導致疾病發(fā)生［1］。同時我們還發(fā)現(xiàn)它們的一些化學性質(zhì)比較活躍，比如有比較強的氧化反應能力并且可以調(diào)節(jié)蛋白激酶，一般是指信號轉導通路中氧化還原敏感的蛋白激酶，它會通過影響這些蛋白酶的活性，從而調(diào)節(jié)細胞的基因的表達［2-3］。體內(nèi)氧自由基是自由基的主要成份，它們的化學性質(zhì)活潑，易發(fā)生氧化還原反應，正常情況下，自由基的生成和分解處于平衡狀態(tài)，過多的自由基會使機體氧化還原反應失衡，產(chǎn)生氧化應激。當氧化應激發(fā)生時，機體體內(nèi)會形成一套相應的抗氧化應激系統(tǒng)，并且還會通過誘導出一系列保護性蛋白減輕機體所受的傷害。

1 自由基的研究進展

Comberg在18世紀年首先提出有機自由基的概念后，很多關于自由基的科學研究就不斷發(fā)展起來，后來Harman提出來“自由基學說”，并發(fā)現(xiàn)某些疾病可能與體內(nèi)的自由基有關。1968年McCord和Fridovich為首的科學家開創(chuàng)了自由基生物學方向的研究，因為他們發(fā)現(xiàn)了超氧化物歧化酶對于抗氧化有著必不可缺的重要性［4］。自由基是體內(nèi)一種必不可少的活性元素，它一般情況下常作為第二信使參與細胞信號轉導［5］。正常情況下自由基是不會對機體產(chǎn)生不良影響的，因為ROS的產(chǎn)生與消除是處在一種動態(tài)平衡當中的。而當某些化學性物質(zhì)或外源體刺激機體后，機體會發(fā)生異常，自由基代謝增加繼而發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應導致組織細胞發(fā)生氧化損傷［6-8］。

作為第二信使的ROS可以傳遞相應的應激信號，同時也會對細胞產(chǎn)生其他作用，這與細胞類型、ROS的劑量和作用時間都密切相關。Jennifer等科學家發(fā)現(xiàn)，如果是低劑量的ROS，則有助于促進細胞增值和有絲分裂，而ROS的量是中等的，對于細胞來說，會使其短期或長期的停止生長，對于過量的ROS而導致的嚴重氧化應激則可能會使細胞凋亡或壞死［9］。相關實驗表明自由基對血管平滑肌、生物膜、內(nèi)臟器官也會產(chǎn)生比較大的影響，同時它又與免疫系統(tǒng)功能、炎癥和腫瘤等相關疾病有著重大關系。所以說自由基的研究不管是在生物學還是醫(yī)學方面都有著重要意義。

2 運動對自由基的影響

2.1 運動和自由基形成的關系

研究發(fā)現(xiàn)運動與自由基尤其是其中的氧自由基有著密切的關系。一般來說疲勞基本上是氧自由基升高的重要原因，特別是對于運動中的運動員來說。細胞膜系統(tǒng)的一個重要構成成分是多不飽和脂肪酸，而當我們由于運動導致體內(nèi)的ROS增多時，它就可能會與細胞膜上多不飽和脂肪酸發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應，所以我們認為運動時多不飽和脂肪酸一般會是ROS攻擊的對象。而這樣導致的結果一般情況下會使細胞膜上的受體受損、相關的酶活性改變，嚴重的可能會破壞三羧酸循環(huán)的電子傳遞，從而導致發(fā)生運動性疲勞。

戴維斯等人在1982年研究發(fā)現(xiàn)了運動誘發(fā)自由基生成增多的直接證據(jù)，他們的研究表明力竭運動后，肝臟的自由基含量升高，肌肉中的自由基也有明顯升高。在大強度運動情況下，機體消除自由基的能力不能夠平衡運動過程中自由基的生成，進而使得脂質(zhì)過氧化的增加，由此來判斷可知運動是自由基生成的主要因素。張勇等［10］在以遞增負荷力竭性運動為運動疲勞模型的情況下，研究了大鼠力竭運動后，肝臟和骨骼肌線粒體自由基的變化趨勢，從而得出結論，在力竭運動后骨骼肌和肝臟線粒體中自由基的生成都有明顯的增多趨勢。這就說明了運動性內(nèi)源自由基最主要的來源是來自骨骼肌和肝臟的線粒體呼吸鏈電子外漏形成的自由基，這個形成的過程是在遞電子體傳遞過程中發(fā)生的［10］。

2.2 以動物為模型研究不同運動形式對自由基代謝的影響

20世紀后期，關于自由基和急性運動之間的關系已有了不少研究。有科學家采用ESR技術研究發(fā)現(xiàn)，急性運動后檢測大鼠的肌肉，發(fā)現(xiàn)其中的自由基信號增強了2到3倍，杰克遜在1985年應用這種技術證明電刺激大鼠骨骼肌后，骨骼肌中的自由基會出現(xiàn)升高趨勢［11］。我國的相關學者用ESR技術研究大鼠疲勞運動后發(fā)現(xiàn)，大鼠快肌中的自由基信號有顯著升高，同時還表明它與疲勞的程度是一種正相關的關系。還有人研究關于小鼠在力竭性游泳運動后骨骼肌內(nèi)的一些變化，比如自由基就會比安靜時升高很多，過氧化脂 （Lipid peroxide，LPO）水平較安靜組有明顯升高，從而會使得肌細胞膜通透性改變，同時血清CK、LDH活性明顯升高［12］。當然還有一部分研究表明短時間大強度運動也會使自由基的產(chǎn)生增加，可是對于其深層次的原因還不太清楚，這還需要我們從細胞分子的角度來進一步研究。對于耐力運動而言，其在運動過程中對自由基的代謝有一定的影響。郭林等通過研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠進行耐力性運動前及運動后即刻不同時間段，腎臟的脂質(zhì)過氧化水平表現(xiàn)有明顯變化，結果發(fā)現(xiàn)大鼠腎臟在運動結束即刻與運動前比較自由基的水平有明顯增加［13］。還有人在研究耐力運動對自由基活性影響時發(fā)現(xiàn)，中長跑運動員在進行大運動量訓練后，其丙二醛（malonaldehyde，MDA）水平與安靜時比較具有顯著性差異［14］，從上述幾個研究來看，長時間的耐力運動可以促進自由基的產(chǎn)生。研究表明運動連續(xù)2天跑臺運動，60min/d，14m/min，10%grade，運動后即刻處死，可以引起鼠心肌 ROS增加，活化 Nrf2-Keap1（nuclear factor E2 related factor2/Kelch-like ECH-associated protein1）途徑，機體抗氧化能力增強［15］。在有氧運動訓練過程中所產(chǎn)生的ROS會通過NF-KB等轉錄因子，對細胞基因的表達進行調(diào)節(jié)以及調(diào)控線粒體的生物發(fā)生過程，所以認為由于耐力運動訓練而形成的適應過程與其內(nèi)源性氧化物介導的調(diào)節(jié)關系有著非常密切的聯(lián)系［16］。

2.3 以細胞為模型不同電刺激形式對自由基代謝的影響

由于大部分細胞，比如分化的骨骼肌肌母細胞C2C12細胞，可以合成與在體骨骼肌細胞相同的蛋白質(zhì)，并能完成與在體骨骼肌細胞同樣的收縮。因此，我們把該類細胞當做是研究骨骼肌細胞功能的適宜細胞模型，這就為我們提供了一個研究在體實驗的平臺［17］。

所謂電刺激是指采用特定的頻率、波形和脈沖電流，模擬在體肌肉收縮，人為的使肌肉進行收縮運動。這樣方法現(xiàn)在很受重視，已經(jīng)把它作為一種輔助手段和訓練方法應用在了平時的訓練當中。

活性氧是機體正常新陳代謝重要產(chǎn)物，它在我們機體內(nèi)起著重要作用。一般情況下細胞內(nèi)活性氧生成的主要來源主要有四種途徑，分別是膜結合酶如NADPH氧化酶，線粒體電子傳遞鏈，黃嘌呤氧化酶，細胞質(zhì)中的NADH氧化酶等［18-19］。在機體正常狀況下，活性氧的產(chǎn)生與消除是處于動態(tài)平衡狀態(tài)的，當外來刺激如運動作用于機體使體內(nèi)自由基增加時，氧化還原平衡就會被打破，則機體會處于氧化應激狀態(tài)，而且會對組織和細胞產(chǎn)生傷害，這時體內(nèi)的抗氧化應激系統(tǒng)就會被激活，幫助清除多余的活性氧。研究表明活性氧可以作為第二信使改變體內(nèi)相關的氧化還原狀態(tài)，原理是通過調(diào)節(jié)相關的信號轉導通路中多種靶分子的活性，而這些酶活性一般都與細胞增殖、分化及凋亡密切相關［20］。Isabella Irrcher等人利用電刺激細胞的方法進行過研究，發(fā)現(xiàn)對骨骼肌肌母細胞（C2C12）肌管進行一次性的電刺激后即刻，轉錄因子早期生長反應基因（Egr-1RNA）的表達迅速增加，分析其原因主要是調(diào)節(jié)了骨骼肌表型變化；所以我們認為一定的電刺激強度肌管能夠使骨骼肌細胞的基因表達發(fā)生改變，而且可以誘發(fā)不同的特異的轉錄因子的表達同時還會引起骨骼肌出現(xiàn)一過性的適應性變化這主要取決于電刺激肌管收縮活動的時間和間隔［21］。Bayol S［22］等研究發(fā)現(xiàn)長時間低強度低頻率的電刺激可引起C2C12細胞線粒體末端氧化酶、線粒體ATP合成酶等酶活性增高，氧化能力增強，線粒體增值及與收縮相關的基因表達的增加。Hood等（2001）也發(fā)現(xiàn)長時間的電刺激或運動訓練會使的骨骼肌線粒體mRNA的表達升高，同時電刺激C2C12肌管還發(fā)現(xiàn)，細胞色素C氧化酶活性也會增加，并且與在體研究結果相似。

研究表明電刺激的頻率與電刺激時間的長短對于ROS的產(chǎn)生有著很大影響。Leonardo R.Silveira等研究發(fā)現(xiàn)，如果用不同的電刺激強度來刺激骨骼肌細胞，結果發(fā)現(xiàn)高強度組的ROS的量無論是細胞內(nèi)還是細胞外與對照組相比都有明顯升高，但是中等強度組與對照組相比ROS的量則沒有顯著性變化，說明在中等強度下細胞內(nèi)的狀態(tài)還是比較穩(wěn)定的。同時Pattwell DM的研究進一步說明了此理論，他通過研究發(fā)現(xiàn)增加電刺激細胞的頻率后，線粒體活性與先前比較會有顯著性升高，而且有自由基導致的過氧化氫的量與先前比較也會升高［23］。McArdle A等研究過ROS釋放的時程規(guī)律，他們用已經(jīng)分化6天的大鼠衛(wèi)星細胞進行電刺激，且刺激強度為2ms，1Hz，30V，發(fā)現(xiàn)電刺激15min，體內(nèi)的ROS便會快速升高。對于運動中線粒體自由基生成增多的原因，現(xiàn)在一般都認為是運動時氧化代謝較平時加快，進而促進了呼吸鏈產(chǎn)生更多的自由基。 潘紅英等［24］認為在刺激強度為采用 45V，20ms，5Hz的情況下電刺激C2C12細胞，活性氧的量會增加，產(chǎn)生的過多自由基會使得細胞線粒體功能發(fā)生變化，同時SOD、MDA等一系列抗氧化酶系統(tǒng)也會發(fā)生改變，變化規(guī)律與某些在體研究相似，且這一強度相當于骨骼肌定量負荷非力竭性運動的強度。

3 小結

雖然現(xiàn)在關于不同運動對自由基產(chǎn)生的研究越來越多，但對于它們之間的一些更深層次的聯(lián)系還有待進一步研究，比如反應自由基與氧化應激之間的內(nèi)在機制指標問題，除了我們平時常用的MDA等指標，有無可能從更深次的基因變化方面去研究，還有自由基在競技體育和群眾體育健康方面的實際應用情況，以及一些還存在爭議的觀點等。如果這些問題能得到解決，那么對于我們在運動訓練中合理安排運動員的訓練時間、運動強度、休息時間等將會起到非常重要的作用，為進一步的減少運動損傷、運動性疲勞和提高大眾健康等問題提供幫助。

［1］ 鐘秀倩.氧自由基與疾病［J］.韶關學院學報:自然科學版，2006，27（6）:87-90.

［2］ 任德成，杜厄華.活性堿對蛋自激酶和毯囚農(nóng)達調(diào)竹作用德研究［J］.中國藥理學通報，2003，19（5）:89-92.

［3］ Driver A S，Kodavanti PR，Mundy W R.Age-related changes in reactiveoxygen speciesproduction in rat brain homogenates.Neurotoxicol Teratol，2000，22（2）:175-181.

［4］ 劉兆紅，岳炳輝.氧自由基對動物機體的毒性作用［J］.上海畜牧獸醫(yī)通訊，2005（03）:57.

［5］ 景亞武，易 靜，高 飛，等.活性氧:從毒性分子到信號分子ROS與細胞的增殖，分化和凋亡及其信號轉導途徑［J］.細胞生物學雜志，2003，25（4）:197-202.

［6］ 趙克然，楊毅軍，曹道俊.氧自由基與臨床［M］.北京:中國醫(yī)藥科技大學出版社，2000:1256.

［7］ Djordjevic V B.Free radicals in cell biology ［J］.Int Rev Cytol，2004，237:57-89.

［8］ Valavanidis A，Vlahogianni T，Dassenakis M，et al.Molecular biomarkers of oxidative st ress in aquatic organisms in relation to toxic environmental pollutants ［J］.Ecotoxicol Environ Saf，2006，64（2）:78-89.

［9］ Jennifer L， Mart I， Nikki J， et al.Celluar response to oxidative stress:signalingfor suicide and survival［J］.Cell Physiol，2002，192:11-15.

［10］張 勇，時慶德，劉樹森，等.力竭性運動中肝臟線粒體電子漏增加及對電子傳遞與質(zhì)子轉移偶聯(lián)的影響［J］.體育科學，1998，18（6）:55-58.

［11］ Jianhua Li，Nieholas CK，Lawrence I.Sinoway ATPconcentrations and musele tension inerease lineariy with musele contraetion ［J］.J APPIPhysiol，2003（95）:577-583..

［12］張?zhí)N昆.力竭性游泳對小鼠腦、肝、肌組織自由基代謝和血清CK、IDH 活性的影響［J］.中國運動醫(yī)學雜志，1995（02）:69-72.

［13］郭 林，平永忠，曹建民，等.耐久性運動導致大鼠腎臟組織自由基代謝動態(tài)變化的研究［J］.中國體育科技，2001，37（2）:8-10．

［14］隋 波，康 健，張虞毅，等.耐力運動對自由基、血清超氧化物歧化酶活性影響的研究［J］.山東體育學院學報，2001，17（3）:31-33.

［15］段偉松.Nrf2-ARE通路在老化和突變SOD1G93A星形膠質(zhì)細胞中的改變［D］.石家莊:河北醫(yī)科大學，2009.

［16］丁樹哲，許豪文.有氧運動與氧化物介導的調(diào)節(jié)［J］.天津體育學院學報，2000，15（1）:15-16.

［17］ Phillips S M，Tipton K D，Aarsland A，et al.Mixed musele Protein synthesis and breakdown after resistance exereise in humans［J］.Am JPhysiol，1997，273（1）:99-107.

［18］趙保路.氧自由基和天然抗氧化劑［D］.科學出版社，2002.

［19］張雪琳.關于運動性疲勞的氧自由基——脂質(zhì)過氧化理論概述［J］.河北體育學院學報，2000， 14（3）:67-71.

［20］景亞武，易 靜，高 飛，等.活性氧從毒性分子到信號分子—活性氧與細胞的增殖、分化和凋亡及其信號轉導途徑［J］.細胞生物學雜志，2003，25（4）:197-202.

［21］ Irrcher I，Hood DA.Regulation of Egr-1， SRF， and Sp1 mRNA expression in contracting skeletal muscle cells ［J］.J Appl Physiol，2004，97（6）:2207-2213.

［22］ Bayol S，Brownson C，Loughna PT.Electrical stimulation modulates IGF bindong protein transcript levels in C2C12 myotubes［J］.Cell Biochem Funct，2005，23（5）:361-365.

［23］邱國榮，徐曉陽，謝敏豪.收縮引起骨骼肌細胞活性氧、IL-6含量及其基因表達的變化［J］.體育科學，2009，29（11）:54-58.

［24］潘紅英，徐曉陽，劉承宜，等.電刺激C2C12細胞時活性氧生成的變化［J］.中國運動醫(yī)學雜志，2006，25（1）:46-49.

Research Progress of Exercise-Induced Stress Response and Free Radical

In the field of sports medicine， exercise-induced stress response and free radicals have always been the focus of research.By using literature review，the current research progress on free radicals and the internal mechanism between them and movement were described.At the same time，two research methods and results based on animal model and cell model was introduced to provide reference for the deeper exploration of the internal mechanism of the movement and the free radicals，especially for the application of free radical theory in competitive sports and mass sports.

Exercise-induced stress response； Free radical； Animal model； Cell model

G804.7

A

1003-983X（2017）11-0964-03

2017-09-07

山西大同大學青年科研基金項目（2016Q17）

董云峰（1988～），男，山西臨汾人，碩士，助教，研究方向:運動生化與營養(yǎng).

1.山西大同大學體育學院，山西 大同，037009；2.山西大同大學固體物理研究所，山西 大同，037009

1.Institute of Physical Education， Datong University， Datong Shanxi， 037009； 2.Institute of Solid State Physics， Datong University， Datong Shanxi， 037009